Обновление ANSYS Electromagnetic Suite 2020R1 EM

Уважаемые читатели блога, вышла новая версия ANSYS. На нашем сайте и в блоге вы сможете найти обзорную информацию по нововведениям всех основных направлений моделирования. На официальном портале поддержки клиентов стали доступны для скачивания дистрибутивы новой версии. Также наша команда готовит для вас серию вебинаров о новых возможностях ANSYS 2020 R1, даты проведения будут опубликованы на нашем сайте https://cae-expert.ru/

 

ANSYS Maxwell 2020 R1

Технологии вычислительного ядра

Volumetric Harmonic Force Coupling

В предыдущем релизе возможность решателя по вычислению плотности объемной гармонической силы для междисциплинарного анализа была реализована на уровне бета-опции. В этом релизе возможность присутствует на уровне стандартного функционала.

 

Опция для вычисления плотности объемной гармонической силы.

Для решения связанной гармонической задачи на основе элементов, объёмная плотность силы вычисляется для каждого элемента выбранных объектов на каждом временном шаге. Затем выполняется дискретное преобразование Фурье для передачи данных из временной области в частотную область. В гармоническом решателе Mechanical плотность объемной силы прикладывается как сила к выбранным объектам. Отсутствуют какие-либо ограничения на выбор объектов. Весь процесс передачи данных от решателя к решателю делается автоматически в постпроцессоре. Анализ магнитострикции также возможен с этим вариантом решения виброакустической задачи на основе объемной гармонической силы.

 

Процесс решения виброакустической задачи с использованием передачи объемной гармонической силы

 

Решение виброакустической задачи для 2D многослойной модели электрической машины     

С недавних пор для работы с сегментированной и скошенной моделью электрической машины был введен соответствующий функционал Skew Model. Это нововведение стало более чем полезно и удобно для расчетчиков подобных машин, так как ранее для моделирования подобных случаев в обязательном порядке необходимо было переходить в 3D моделирование, которое вычислительно очень затратное.

 

Модель Skew Model для скошенных моделей в 2D

В новой версии, наряду с развитием и наращивания функционала в области NVH (вибрация, акустика, долговечность), появляется соответствующая возможность выхода на трехмерный NVH анализ с использованием исходных данных из 2D модели, где используется Skew Model.

 

Подготовка трехмерной модели скошенного статора для передачи объемных гармонических сил из Maxwell 2D, где используется Skew Model

 

ANSYS Maxwell 2D поддерживает вычисление гармонической силы на основе объектов с использованием многослойной модели Skew Model вдоль осевого направления вращающихся машин. Модель Skew Model многослойного скоса повышает точность моделирования в Maxwell 2D, когда слот/зубец на статоре/роторе скошены. При использовании модели скоса в Maxwell 2D моделирование вибрации в ANSYS Mechanical становится недоступным. В таком случае, трехмерное моделирование выполняется путем расчета и использования гармонической силы на основе объекта послойно для каждой из скошенной части. Трехмерная же модель в Mechanical подготавливается специальным образом, путем создания сегментов скошенной части и их сдвигом между собой на заданный в Skew Model угол.

 

Улучшение функционала

Учет добавочных потерь в многожильных проводниках. Litz модель.

В предыдущей версии ANSYS 2019R3 уже была информация о введении этой возможности, вполне возможно, что модель была улучшена. Речь идет о давно обсуждаемой модели расчёта добавочных потерь для многожильных проводников, которые пользователи привыкли моделировать сосредоточенными параметрами. Другими словами, весьма непросто, а в некоторых случаях невозможно смоделировать катушки с прорисовкой каждого отдельного элементарного проводника для учета добавочных потерь на скин эффект и эффект близости. Особенно остро проблема стоит при использовании в модели проводников типа литцендрат, где в относительно небольшом диаметре провода могут располагаться от 100 до 1000 мельчайших, изолированных между собой, элементарных проводников.

 

Кабель с жилами из лицендрата

Лицендрат это предельный вариант сложности для моделирования методом конечных элементов, но сюда же относятся и обычные обмотки электрических аппаратов, состоящие из множества витков, как круглого, так и прямоугольного сечения. Для этих целей в ANSYS Maxwell добавлена опция в свойствах материала, которая позволяет выводить в отчёт сумму DC+AC потерь (StrandedLossAC). Наибольшую точность модель обеспечивает при синусоидальном поле и при толщине проводника меньше глубины скин слоя.

 

Настройки опции Litz Wire и отчёты для добавочных потерь

 

Вычисление и визуализация коэффициента размагничивания постоянных магнитов

Некоторое время назад на нашем сайте появлялся видеопример с подробным разбором реализации этой возможности. Тогда предлагалось использовать расширение ACT, которое автоматически настраивает дизайн для вывода информации о состоянии постоянного магнита. В новом релизе возможность работы с коэффициентом размагничивания добавлена в интерфейс. Пользователи теперь могут строить скалярное распределение коэффициента размагничивания, выводить его значение на график во временной области.  

 

Определение размагничивания постоянного магнита с использованием модели линии возврата

Для работы модели размагничивания необходимо использовать нелинейную кривую BH для определения свойств постоянного магнита. Данные могут описывать расположение кривой во 2-ом, 3-ем и даже в 1-ом квадранте, причем обязательно должны включать область «колена» для кривой размагничивания. Работа модели размагничивания заключается в том, чтобы в процессе решения нестационарной задачи для нелинейных постоянных магнитов вычислять наихудшие рабочие точки и затем обеспечивать работу на линии возврата в размагниченном состоянии.

Вводится вспомогательный коэффициент остаточной индукции. Коэффициент остаточной индукции является локальным материальным свойством и показывает, какая часть силы магнита останется после приобретения им нового состояния по линии возврата. Коэффициент может принимать значения от 0 до 1. При значения коэффициента 1 – магнит полностью намагничен, соответственно при 0 – магнит полностью размагничен.

 

Скалярное распределение коэффициента размагничивания и его изменение во времени для заданной точки

 

Для отчетов доступна также статистическая информация по деградации всего магнитного материала в модели. В проект вводится величина порогового значения, которая охватывает диапазон от 0 до 1 (другими словами от 0 до 100%) и определяет объём магнитного материала выше/ниже значения коэффициента остаточной индукции.

 

Статистика изменения коэффициента размагничивания по объему магнитного материала.

 

Новые типы электрических машин в ACT Electric machine toolkit

Автоматизированные инструменты для построения карт эффективности электрических машин также получили новые опции.  ACT расширение Electriс Machine toolkit дополнилось поддержкой двух новых типов электрических машин: вентильный реактивный SRM и синхронный реактивный двигатель SynRM.

 

Карты для синхронного реактивного двигателя SynRM

Для построения карты эффективности синхронной реактивной машины эксперимент дизайна DOE включает исследование модели при изменении величины тока фазы, угла вектора тока и скорости вращения. Реализована поддержка автоматического нахождения угла выравнивания DQ координатной системы, для этого двигателя ось D ротора является осью наименьшего магнитного сопротивления и максимальной индуктивности. Для расчёта может использоваться метод параллельных вычислений periodic и half-periodic TDM, что значительно увеличивает скорость расчёта на многоядерных вычислителях.

 

Карты для вентильного реактивного двигателя SRM

Для построения карты вентильной реактивной машины эксперимент дизайна DOE проводится для тех же переменных, что и в предыдущем случае. Реализована поддержка автоматического нахождения угла выравнивания DQ координатной системы. Поддержка метода TDM для этого двигателя отсутствует.

В новой версии стал возможным частотнозависимый учет добавочных потерь в обмотках электрических машин при построении карт эффективности и потерь в меди. Опция пока работает только для круглого проводника. Пользователям необходимо указать проводимость материала круглого проводника и его диаметр, а также разницу между AC и DC сопротивлениями фазы для опорной частоты.

 

Учет добавочных потерь в обмотках при построении карт эффективности

 

Постпроцессор. Гармоническая плотность силы

Пользователи, работающие с анализом акустики и вибрации электрических машин могут использовать новые возможности постпроцессора ANSYS Maxwell. Нововведения касается 2D и 3D расчетов в нестационарном решателе. Новые виды отчетов и графиков становятся доступны при активации вычисления гармонической силы (Enable Harmonic Force Calculation…) для передачи в модуль Mechanical. В таком случае в обзоре полевых величин и в меню построения графиков появляется новые подменю Create Noise Vibration Report и Noise Vibration.

В 2D report возможно вывести на график амплитуду гармонической силы на поверхности или ребре в спектральном представлении. В полевых отчётах возможно построить плотность гармонической силы в векторном и скалярном виде для каждой частоты.

 

Новые виды отчетов при подготовке данных для виброакустического анализа

 

Понижение порядка матриц в решателе Eddy Current

В новой версии улучшена работа с матрицами индуктивности и сопротивления для 2D Eddy Current решателе. Теперь возможно объединить (сгруппировать) два и более заданий возбуждения в одно с параллельным или последовательным соединением. Результат каждой операции объединения (группировки) называется матрицей пониженного порядка. Подобное решение можно встретить в программе Q3D extractor. Подобный метод добавляет гибкости к постобработке результатов моделирования, а именно позволяет в постпроцессоре получить значение матрицы при сложном последовательно-параллельном соединении элементарных проводников.

 

Понижение порядка матриц RL в EddyCurrent решателе

 

 

Библиотека материалов

В новой версии встроенная библиотека Electronics Desktop дополнилась материалами от GRANTA. Библиотека называется GRANTA Materials Data for Simulation. Унифицированная база данных включает в себя свойства материалов для Maxwell: проводимость, проницаемость, потери в сердечнике. Для пользователей Maxwell окажутся полезными более 500 записей с кривыми B-H и потерь в сердечнике для различных сортов магнитных материалов конкретного производителя. Дополнительное удобство использования материалов от GRANTA состоит в том, что свойства материалов не ограничены только магнетизмом, а расширены до мультифизичных, что добавляет удобство работы в междисциплинарных приложениях.

 

Библиотека GRANTA для ANSYS Electronics Desktop

 

Beta опции.

В новой версии появилось еще больше Beta опций. Это касается не только ANSYS Maxwell, но и ANSYS HFSS, Icepak AEDT, Q3D extractor.

 

Список Beta опций ANSYS Electronics Desktop

 

Maxwell 3D transient - A-Phi формулировка [Beta]

Трехмерный нестационарный решатель в настоящее время основан на формулировка T-Omega. T-Omega является мощным численным методом для решения широкого спектра низкочастотных электромагнитных проблем. Тем не менее, есть некоторые области, где применимость метода ограничена - например, возбуждение от смешанных источников на одном пути проводимости. Для таких случаев новая формулировка Maxwell 3D Transient A-Phi является более подходящим решением.

 

Включение нестационарного решателя с формулировкой A-phi в стандартном окне выбора решателя

 

Формулировка использует магнитный векторный потенциал A и электрический скалярный потенциал Phi. Краевые элементы первого порядка для векторного магнитного потенциала A и узловые элементы второго порядка для скалярного электрического потенциала Phi

Поддерживает несколько терминалов задания возбуждения для одного пути проводимости.

Позволяет рассчитывать частичные индуктивности вместо индуктивности замкнутого контура, как было реализовано ранее в решателях Maxwell.

Поля J и E рассчитываются напрямую, потому что это приближение первого порядка.

Применимо для тепловых задач токонесущих шин, когда несколько терминалов могут иметь возбуждение произвольной формы. Точное предсказание мощности потерь позволяет проводить в дальнейшем термоэлектрический анализ.  

При использовании этой формулировки нужно учитывать большой перечень функциональных ограничений, а также особенности задания возбуждения и граничных условий. В будущей версии планируется расширение функционала до возможностей привычного нестационарного решателя: поддержка цепей управления, ко-симуляции с Simulink и TwinBuilder, учет влияния потерь в стали и гистерезиса на распределение полей, намагничивание/размагничивание, движение элементов модели, параллельные вычисления с методом TDM

 

Формулировка A-phi для решения нестационарных задач. Использование потенциала источников, как задание тока на пути проводимости и поля в расчётной области.

 

Автоматическое решение периодического сектора для полных моделей электрических машин [Beta]

При работе с трехмерной моделью электрических машин необходимо использовать минимально-возможный периодический геометрический сектор. Работа с полной геометрической моделью очень удобна и проста в настройке, тут же лучшая визуализация поля для работы в постпроцессоре. Из минусов – очень большое время моделирования. Создание периодической модели с использованием симметрии требует гораздо меньше времени на вычисление, но в тоже время требует хорошего понимания и представления для настройки модели. Этот метод менее интуитивно-понятен, чем работа с полной геометрией на этапе постобработке результатов.

В новой версии предлагается автоматическое создание периодической модели из геометрически-полной: построение сетки, вычисление и постобработка. Тем самым объединяются все плюсы и исключаются все недостатки как для случая с полной моделью, так и с периодической ее частью.

Данная возможность пока работает только для нескошенной модели машин.

 

Решение периодического сегмента для полных моделей электрических машин